盘管和夹套加热

2.10.1第2章蒸汽工程和传热盘管和夹套加热章节2.10蒸汽和冷凝水系统手册1012.10.2第2章蒸汽工程和传热盘管和夹套加热章节2.10蒸汽和冷凝水系统手册盘管和夹套加热容器通常有很多不同的加热方式，本节主要讨论间接加热，在这些系统中，热量通过传热表面进行传递，可以分为：浸入式蒸汽盘管-这是一种应用广泛的传热方式，在容器中，蒸汽盘管浸没在制程流体中。蒸汽夹套-蒸汽在外壁和容器壁之间的环形夹套空间循环，热量通过容器壁进行传递。浸入式蒸汽盘管盘管式容积换热器在船上应用非常普遍，主要用来对很深的罐体内储有的原油、食用油、油脂和糖浆等货物进行加热。这些流体在常温下由于黏度太高而无法处理，因此用蒸汽盘管来升高这些液体的温度，降低它们的黏度以便可以被泵送。盘管式加热的槽同样广泛应用于电镀和金属处理上，电镀中工艺中物体须经过几个工艺槽后金属层才能采用附着在表面上。其中一个最初的工艺称为酸洗，在这个工艺中，钢和铜等材料被浸在酸液或苛性碱溶液中以去掉表面杂质或形成的氧化层。蒸汽盘管选型计算出了需要的热量(见前一节)，并且知道了盘管中蒸汽的压力和温度后，就可以用公式2.5.3计算出需要的换热面积：计算时换热面与盘管的表面积相等，因此，可以得到近似的盘管尺寸。确定‘U’值为了计算换热面积，必须先选择总的换热系数U，这个系数与两种流体的热力性质和输送特性以及其它的条件均有相当的关系。盘管加热会在产品一侧产生热边界层，大空间流体的表面和内部之间存在温度梯度，如果温差非常大，那么自然对流换热就会很明显，于是换热系数就比较大。强制循环（类似搅动）会引起强制对流提高换热系数，对流主要取决于流体的运动，流体的黏度（随温度而不同）对热边界层的影响也很重要。额外的变化还会出现在盘管的蒸汽侧，尤其对长距离的管道而言更是如此。在盘管的进口，蒸汽通常流速较高，含水量相对较少。但是，随着蒸汽在盘管内前进，蒸汽流速会越来越低，而且盘管内会部分地充满水。在很长的盘管中，例如那些远航的油轮或大的储油罐中，经常发现盘管内的压降非常显著。这时，盘管平均温度经常采用的是大约为进口蒸汽压力的75%的饱和蒸汽温度。在一些极端的例子中，平均压力可能会低于进汽压力的40%。另一个变量是盘管自身的材料。尽管盘管本身材料的导热性能差别很大，但由于总的传热效果很大程度上受到热阻层的影响，因此盘管的导热性能对传热效果的影响相对较小。表2.10.1给出的是不同条件下的浸没式蒸汽盘管典型的传热系数。2barg和6barg的蒸汽压力之间的“U”值可以根据插值得到。表2.10.1中显示的数据范围说明了要得到最终额定的“U”值非常困难。通常在选择这些数据的时候，如果使用的蒸汽比较干燥清洁、盘管小并且疏水良好时选择较高的换热系数；当蒸汽品质较差、盘管长并且疏水不好时选择较低的值。推荐的总的传热系数适用于典型的工况和装置，这些推荐值主要由经验得来，已经考虑了一定的安全余量，可用来进行盘管选型。当用于其它流体而不是水的情况下，传热系数会因黏度的变化而变化较大。表2.10.2列出了一些常见流体的换热系数，表2.10.3给出不同口径管道单位长度的表面积。公式2.5.3Q=UA∆T1022.10.3第2章蒸汽工程和传热盘管和夹套加热章节2.10蒸汽和冷凝水系统手册表2.10.1浸没在水中的蒸汽盘管的传热系数总的传热系数U(W/(m2·℃))蒸汽和水的平均温差在30℃左右550-1300蒸汽和水的平均温差在60℃左右1000-1700蒸汽和水的平均温差在110℃左右1300-2700推荐数据U(W/(m2·℃))低压盘管(2barg)水自然循环550高压盘管(6barg)水自然循环1100低压盘管(2barg)水强制循环1100高压盘管(6barg)水强制循环1700表2.10.2浸没在不同流体中蒸汽盘管的传热系数中等蒸汽压力（2~6barg），流体自然对流U(W/(m2·℃))轻油170重油80-110油脂30-60中等蒸汽压力（2~6barg），流体强制对流U(W/(m2·℃))轻油(38℃时200雷氏黏度秒)550中油(38℃时1000雷氏黏度秒)340重油(38℃时3500雷氏黏度秒)170糖浆(38℃时10000雷氏黏度秒)85油脂(38℃时50000雷氏黏度秒)55诸如动物油脂和人造黄油等物质，在常温下为固态，熔解后黏度低。商业糖浆通常含有水，黏度会大大降低。表2.10.3每米长度管道的公称表面积公称管径(mm)1520253240506580100表面积(m2/m)0.0670.0850.1060.1340.1520.1890.2390.2790.358*******例2.10.1继续例2.9.1的计算:第1部分启动时的平均蒸汽质量流率(平均热负荷=367kW)第2部分需要的换热面积第3部分推荐的换热器表面积第4部分推荐传热面积下的最大蒸汽质量流量第5部分推荐的安装，包括盘管直径和布局以下是提供的额外信息：控制阀前的蒸汽压力=2.6barg(3.6bara)不锈钢蒸汽盘管蒸汽/盘管/水的换热系数U=650W/(m2·℃)第1部分计算起机时的平均质量流量控制阀前蒸汽压力=2.6barg(3.6bara)。控制阀前后的临界压降(CPD)发生于启动时，因此加热盘管的最小蒸汽压力应取58%的上游绝对压力，关于此压力的解释见第5章。1032.10.4第2章蒸汽工程和传热盘管和夹套加热章节2.10蒸汽和冷凝水系统手册第2部分计算需要的换热面积第3部分推荐的盘管面积由于无法提供足够精确的“U”值，考虑到将来热交换器表面的积垢，通常选择增加10%的换热面积。第4部分在推荐传热面积下的最大质量流量最大传热量（最大蒸汽需要量）发生于蒸汽温度和过程流体温度差别最大的时候，考虑到积垢的影响，所以要增加一定的余量。(a)计算盘管的最大加热能力Q(盘管)(b)519kW热量需要的质量流量最小蒸汽压力=3.6bara×58%最小蒸汽压力=2.1bara(1.1barg)1.1barg时蒸发焓=2197kJ/kg平均蒸汽流量=平均蒸汽流量=0.167kg/s或602kg/h367kW2197kJ/kg使用公式2.5.3：Q=UA∆TQ=367kW(例2.9.1)U=650W/(m·℃)(给定)∆T=平均温度差∆TM蒸汽压力=2.1bara(见之前计算)因此：盘管内的蒸汽压力Ts=122℃(根据蒸汽表)平均流体温度Tm=Tm=34℃∆Tm=Ts-Tm∆Tm=122-34∆Tm=88℃因此367kW=A=A=6.416m2其中：8+602650W/(m2·℃)×Am2×88℃1000367×1000650×88推荐换热面积（A）=6.416m2+10%×6.416m2A≈7m2使用公式2.5.3：Q=UA∆TU=650W/(m·℃)(给定)A=7m2∆T=初始温差蒸汽压力=2.1bara(见之前计算)流体初始温度高T1=8℃蒸汽压力=1.1barg蒸汽温度Ts=122℃∆T=Ts-T1=122-8℃∆T=114℃Q(盘管)=Q(盘管)=519kW这里：650×7×1141000最大蒸汽流率(ms)=kg/hms=kg/hms=850kg/h519kW×36001.1barg时hfg519kW×36002197kJ/kg1042.10.5第2章蒸汽工程和传热盘管和夹套加热章节2.10蒸汽和冷凝水系统手册第5部分推荐的安装，包括盘管口径和布置(a)计算盘管口径和长度从表2.10.3中查得，100mm的管道表面积为0.358m2/m，此应用中需要：=19.6m（DN100的盘管）实际应用中，很难把这么长的大口径换热管安装到3m×3m的容器中去。其中一种解决方法是在蒸汽和冷凝水总管上平铺一层平行的换热管，并布置一定的高度差使冷凝水流入冷凝水收集管，冷凝水管必须从冷凝水收集管下部引出并进入蒸汽疏水阀或泵阀组合。推荐布置如图2.10.1所示。蒸汽压力=1.1barg(Vg=0.841m3/kg-源自蒸汽表)最大蒸汽流量=850kg/h最大推荐蒸汽流速=25m/s蒸汽流速=m/s体积流量管道截面积每秒体积流量=质量流量(kg/h)×比容(m3/kg)3600(s/h)管道截面积=πD24因此：25m/s=850kg/h×0.841m3/kg×43600×π×D2D2=850×0.841×43600π×25直径=m850×0.841×43600×π×25直径=0.1m或100mm7m20.358m2/m图2.10.1在矩形水箱内布置盘管的可能方案水箱蒸汽分配管蒸汽进口过接管冷凝水收集管需要注意的是蒸汽的供给端和冷凝水的出口端分别位于总管的两侧，这有助于蒸汽流动并推动冷凝水通过盘管。此应用中，蒸汽和冷凝水总管应均为2.8m长，当冷凝水收集管储存冷凝水的时候，其散发的热量要比从蒸汽分配管上散发的热量小的多，在计算中可以忽略。1052.10.6第2章蒸汽工程和传热盘管和夹套加热章节2.10蒸汽和冷凝水系统手册其它蒸汽盘管布置方法蒸汽盘管的设计和布置主要取决于制程中被加热的流体。当被加热的流体为腐蚀性溶液时，通常，盘管的进口和出口连接管应提升并超过水箱，因为通常不建议对水箱侧壁的耐腐蚀夹层进行钻孔。这样，可以保证水箱夹层里不存在任何隐患，从而避免腐蚀性流体泄漏的危险。在这些应用中，盘管本身通常是由耐腐蚀性材料制成的，比如用镀铅的钢或铜，或者钛合金等。但是，对那些没有腐蚀危险的应用，应当避免采用上述的提升进出口管的结构，蒸汽进口和冷凝水出口应从水箱侧壁进出，任何提升都可能会导致盘管内积水，并可能引起水锤、噪声和管线泄漏。蒸汽加热盘管从进口到出口应有一定的坡度，从而可使冷凝水沿着管线流向出口，而不会积存于盘管的底部。如提升不可避免，应当在提升的底部布置集水槽并安排一个小口径的排放管，如图2.10.2所示。集水槽允许积存一部分冷凝水作为水封，并防止蒸汽锁。如果没有这个水封，蒸汽会通过管子底部的冷凝水收集点，并关闭提升点顶部的蒸汽疏水阀。冷凝水面因此会上升并形成暂时的水封，把蒸汽封锁于提升点和蒸汽疏水阀之间。直到封锁的蒸汽冷凝后，蒸汽疏水阀才能再次打开排水，在那段时间内，换热器盘管内会出现积水现象。当被锁住的蒸汽冷凝，疏水阀打开，水会进入提升管并通过疏水阀排放。一旦水封丧失，蒸汽就进入上升管并关闭疏水阀，这样，冷凝的水会再次掉落并在盘管的底部积存。采用较小的排放管使蒸汽只能少量封存于上升管中，这样比较容易产生水封并防止蒸汽漏过去，从而保证出口有稳定而持续的冷凝水。当水封最终失去后,较小的上升管内需要较少的冷凝水就会重新形成水封，而较大的上升管不容易形成水封，所以，当水封失去后，小的上升管内很快就重新形成了水封。根据之前的速度计算，蒸汽联箱的直径应为100mm，散热面积为：2.8m×0.358m2/m=1.0m2因此，仍需要7m2-1m2=6m2的换热面积由连接管道来提供。考虑到坚固性和可用性，通常选择32mm的加热管。连接管道的长度为2.5m，只需要连接管根数=≈18根校核：对蒸汽通过连接管时的流速进行确认是很必要的。根据换热面的比例，蒸汽分配管冷凝水的蒸汽量为：总量850kg/h的86%=731kg/h蒸汽会通过18根连接管进入冷凝水收集管。6m2≈45m（DN32的管道）0.134m2/m45m2.5m1m27m2×1001=14%的总蒸汽量。蒸汽速度=蒸汽速度=蒸汽速度≈12m/体积流量管道横截面积m/s731kg/h×0.841m3/kg×43600×18×π×0.0322m/s图2.10.2带提升排放管的水箱冷凝水出口蒸汽入口上升管1062.10.7第2章蒸汽工程和传热盘管和夹套加热章节2.10蒸汽和冷凝水系统手册图2.10.3挂壁式盘管蒸汽入口冷凝水出口盘管上升管水封对于那些需要把物体浸入液体的制程，盘管不能放在水箱底部，因为这样容易被浸入的物体损坏，同时，在某些特定的制程中，大量的沉积物会在水箱底部的换热面上形成，阻碍换热。基于以上因素，在电镀工业中通常使用侧挂式的盘管，在这些工艺中，通常在水箱的侧壁上布置蛇形盘管或板式盘管，如图